Isotoper och nuklidkartan

Vad gör väte till väte och inte till något annat? Svaret är antalet protoner i kärnan. Väte har alltid exakt en proton, kol har alltid sex och järn alltid tjugosex. Det antalet kallas atomnummer och skrivs Z, och det är Z som avgör vilket grundämne en atom är. Men kärnor med samma Z kan ändå skilja sig åt: de kan ha olika antal neutroner.

Väte finns i naturen i tre varianter. Den vanligaste har ingen neutron alls. En betydligt ovanligare, deuterium, har en neutron. Tritium, som bara finns i spårmängder, har två. Alla tre är väte, eftersom alla har en proton, men de väger olika mycket. Sådana varianter av samma grundämne kallas isotoper. På samma sätt finns kol-12 med sex neutroner och kol-14 med åtta, båda kol eftersom båda har sex protoner.

Summan av protoner och neutroner i en kärna kallas masstal och skrivs A. En isotop skrivs ofta som grundämne följt av masstalet, till exempel kol-14, eller med masstalet upphöjt och atomnumret nedsänkt framför den kemiska beteckningen: ¹⁴₆C. Antalet neutroner N får man genom N = A − Z. Eftersom kemiska egenskaper bestäms av elektronerna, som i sin tur styrs av antalet protoner, är isotoper av samma grundämne kemiskt nästan identiska. Skillnaden ligger i massa, och i vissa fall i om kärnan är stabil eller inte.

Forskare samlar alla kända kärnor i en nuklidkarta, med antalet neutroner N längs den vågräta axeln och antalet protoner Z längs den lodräta. Stabila kärnor bildar ett smalt band på kartan. För lätta grundämnen ligger bandet nära linjen där antalet neutroner och protoner är ungefär lika. För tyngre grundämnen krävs fler neutroner än protoner, eftersom protonerna stöter bort varandra elektriskt på långt håll medan den starka kraften som håller ihop kärnan bara verkar på extremt kort avstånd. Extra neutroner bidrar till den starka bindningen utan att öka den elektriska repulsionen, och det gör tunga kärnor stabilare.

Isotoper av samma grundämne har samma Z och ligger därför på samma vågräta rad på kartan, bara med olika antal neutroner.

Formel

A = Z + N

Masstalet A är summan av antalet protoner Z och antalet neutroner N i en atomkärna. Känner man två av talen kan man räkna ut det tredje.

Det här lär du dig

Förklara skillnaden mellan atomnummer Z och masstal A
Beskriva vad isotoper är och ge exempel på isotoper av samma grundämne
Räkna ut antalet neutroner i en kärna med hjälp av A och Z
Tolka nuklidkartan och förklara var stabila kärnor befinner sig
Förklara varför tyngre grundämnen behöver fler neutroner än protoner för att vara stabila

Begrepp att kunna

Atomnummer (Z): Antalet protoner i en atomkärna. Det är atomnumret som avgör vilket grundämne atomen är.
Masstal (A): Summan av antalet protoner och antalet neutroner i en atomkärna, A = Z + N.
Isotop: En variant av ett grundämne med samma antal protoner men ett annat antal neutroner, och därför ett annat masstal.
Neutron: En elektriskt neutral partikel i atomkärnan, nästan lika tung som en proton, som bidrar till massan men inte till laddningen.
Nuklidkarta: En karta över alla kända atomkärnor, ordnade efter antal protoner och antal neutroner, som visar vilka kärnor som är stabila.
Stabil kärna: En kärna som inte sönderfaller, till skillnad från en instabil kärna som med tiden omvandlas till en annan kärna.

Vanliga svårigheter

Blandar ihop atomnummer och masstal

Atomnumret Z räknar bara protonerna och är alltid detsamma för ett givet grundämne. Masstalet A räknar alla kärnpartiklar, protoner och neutroner tillsammans, och varierar mellan isotoper av samma grundämne. Att skriva fel vilket tal som är vilket ger fel svar på nästan alla uppgifter om isotoper.

Tror att isotoper är olika grundämnen

Kol-12 och kol-14 är båda kol, inte två olika ämnen, eftersom båda har sex protoner. Det är just det som gör dem till isotoper av samma grundämne snarare än till skilda ämnen. Kemiskt beter de sig nästan identiskt. Det är bara massan och i vissa fall stabiliteten som skiljer.

Förstår inte varför tunga kärnor behöver fler neutroner

Protoner stöter bort varandra elektriskt, och den repulsionen verkar på långt håll och blir starkare ju fler protoner som packas ihop. Den starka kraften som håller ihop kärnan verkar bara på extremt kort avstånd. Extra neutroner ger mer av den starka, sammanhållande kraften utan att lägga till någon elektrisk repulsion, och därför behöver tunga stabila kärnor fler neutroner än protoner.

I verkligheten

Tungt vatten används som moderator i vissa kärnreaktorer

En moderator bromsar neutronerna i reaktorn så att de lättare klyver uran. Tungt vatten är vatten där väteatomerna är ersatta med deuterium, vätets tyngre isotop. Vanligt vatten bromsar neutroner minst lika bra, men vätekärnorna fångar in en del av dem. Deuteriumkärnor fångar nästan aldrig in neutroner, så en reaktor med tungt vatten kan klara sig med naturligt uran. Kemiskt beter sig tungt vatten nästan som vanligt vatten.

Forskare läser av gamla isborrkärnor för att rekonstruera jordens klimat

Vatten med den tyngre syreisotopen ¹⁸O avdunstar något trögare och kondenserar något lättare än vatten med den vanliga ¹⁶O, så andelen ¹⁸O i snö beror på temperaturen. Genom att mäta förhållandet mellan isotoperna i olika islager kan forskare uppskatta vilken temperatur det var när snön föll, tusentals år tillbaka i tiden.

Tips

Memorera grundregeln Z = antal protoner = grundämnets identitet, A = totalt antal kärnpartiklar, N = A − Z. De tre sambanden löser nästan alla uppgifter om isotoper.
Använd väte som ankare när du ska minnas vad en isotop är: protium utan neutron, deuterium med en, tritium med två. Samma grundämne, tre olika massor.
Rita isotoper av samma grundämne som punkter bredvid varandra i samma vågräta rad på nuklidkartan, eftersom de delar samma Z men har olika N. Det gör skillnaden mellan grundämne och isotop konkret.

Testa dig själv

1. En isotop av klor skrivs ³⁷Cl. Hur många protoner och hur många neutroner har kärnan?

Klor har atomnummer Z = 17, så kärnan har 17 protoner. Masstalet är A = 37, så antalet neutroner blir N = A − Z = 37 − 17 = 20. Kärnan består alltså av 17 protoner och 20 neutroner.

2. ¹⁶O och ¹⁸O är båda isotoper av syre med nästan samma kemiska egenskaper men olika fysikaliska egenskaper. Varför?

Båda har atomnummer Z = 8 och därmed samma antal elektroner, och det är elektronerna som bestämmer de kemiska egenskaperna. Men de har olika antal neutroner, 8 respektive 10, vilket ger olika massa. Massskillnaden gör till exempel att vatten med ¹⁸O har en något annan fryspunkt och avdunstar något trögare.

3. Varför har stabila tunga kärnor fler neutroner än protoner, medan stabila lätta kärnor har ungefär lika många av varje?

I en lätt kärna är det få protoner, så den elektriska repulsionen mellan dem är liten och ett ungefär lika antal protoner och neutroner räcker för att den starka kraften ska hålla ihop kärnan. I en tung kärna finns många protoner som alla stöter bort varandra, och då behövs fler neutroner för att ge extra sammanhållande kraft utan att öka repulsionen.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Partikelstrålning och elektromagnetisk strålning, deras användningsområden och risker.
Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning
Radioaktivt sönderfall, joniserande strålning, halveringstid, aktivitet och stråldos. Strålning tillämpad inom medicin och teknik.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Radioaktivt sönderfall, joniserande strålning, halveringstid, aktivitet och stråldos. Tillämpningar av strålning inom medicin och teknik.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Atommodeller

Leder vidare till

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: